鏈下擴容深度解析

1. 擴容的必要性

區塊鏈的未來願景是去中心化、安全性和可擴展性。但通常只能實現其中兩個,這被稱爲區塊鏈的不可能三角問題。多年來,人們一直在探索如何在保證去中心化和安全性的前提下,提高區塊鏈的吞吐量和交易速度,即解決擴容問題。

區塊鏈的去中心化、安全性和可擴展性定義:

• 去中心化:任何人都可以成爲節點參與區塊鏈系統,節點數量越多,去中心化程度越高。
• 安全性:獲取區塊鏈控制權成本越高,安全性越高,可抵抗較大比例的攻擊。
• 可擴展性:區塊鏈處理大量交易的能力。

比特幣網路的第一次重大硬分叉就源於擴容問題。以太坊網路也選擇犧牲了一部分可擴展性,來保障網路的安全性和去中心化。

從2017年的CryptoKitties,到DeFi summer、GameFi和NFT的興起,市場對吞吐量需求不斷增加。但以太坊每秒只能處理15-45筆交易,導致交易成本增加,結算時間變長,大部分Dapps難以承受運行成本。

理想的擴容方案是:在不犧牲去中心化和安全性的前提下,提高區塊鏈網路的交易速度和吞吐量。

2. 擴容方案的類別

按照"是否改變一層主網"作爲標準,擴容方案可分爲鏈上擴容和鏈下擴容兩大類。

2.1 鏈上擴容

核心概念:通過改變一層主網協議達到擴容效果的解決方案,目前主要方案是分片。

鏈上擴容有多種方案,如:

• 擴大區塊空間,增加每個區塊打包的交易數量,但會提高節點要求,降低去中心化程度。
• 分片,將區塊鏈帳本分成若幹部分,由不同節點負責不同記帳,可提高交易處理速度和去中心化程度,但會降低整個網路的安全性。

改變一層主網協議可能產生難以預料的負面影響,底層任何細微的安全漏洞都會嚴重威脅整個網路的安全性。

2.2 鏈下擴容

核心概念:不改變現有一層主網協議的擴容解決方案。

鏈下擴容方案可細分爲Layer2和其他方案:

• Layer2:包括State Channels、Plasma、Rollups等
• 其他方案:如側鏈

3. 鏈下擴容的方案

3.1 State Channels

3.1.1 概要

狀態通道規定只有在通道打開、關閉或解決糾紛時,用戶才需要與主網交互,把用戶與用戶的交互放在鏈下進行,以降低交易的時間和金錢成本。

狀態通道是簡單的P2P協議,適合"基於回合的應用程序",如兩人國際象棋遊戲。每個通道由主網上運行的多籤智能合約管理,該合約控制存入通道的資產,驗證狀態更新,並仲裁參與者之間的爭議。

3.1.2 時間線

• 2015/02:閃電網絡白皮書草案發布
• 2015/11:Jeff Coleman首次系統總結State Channel概念
• 2016/01:比特幣閃電網絡白皮書正式發表
• 2017/11:第一個基於Payment Channel框架的State Channel設計規範Sprites提出
• 2018/06:Counterfactual提出詳細的Generalized State Channels設計
• 2018/10:State Channel Networks和Virtual Channels概念提出
• 2019/02:N-Party Channels概念擴展,Nitro協議建立
• 2019/10:Pisa拓展Watchtowers概念解決參與者持續在線問題
• 2020/03:Hydra提出Fast Isomorphic Channels

3.1.3 技術原理

State Channels的工作流程:

1. 用戶通過智能合約在主網存入資金,開通狀態通道
2. 用戶在鏈下進行多次交易,互相籤名確認狀態更新
3. 任一方可向主網提交關閉通道請求,如無爭議則執行最終狀態
4. 如有爭議,合約會等待"挑戰期"結束再確認最終狀態

與傳統鏈上交互相比,State Channels可大大減少主網計算量,提升交易速度,降低成本。

3.1.4 優缺點

優點:

• 即時確認交易
• 低交易費用
• 高隱私性
• 高可擴展性

缺點:

• 需要預先鎖定資金
• 參與方需保持在線
• 不適用於開放式參與的應用
• 難以實現多方通道
• 通道關閉時需等待挑戰期

3.1.5 應用

主要應用包括比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡和Celer Network等。

比特幣閃電網絡:

• 2015年提出,2018年發布主網版本
• 通過鏈下小額支付通道解決比特幣網路擴容問題
• 目前有76,236個支付通道,通道資金5049 BTC

以太坊雷電網絡:

• 2017年成立,目標實現ERC20代幣的即時低費用支付
• 2020年發布第一個主網客戶端
• 目前使用較少,團隊正改造爲在L2 Rollup上運行

Celer Network:

• 2018年成立,是增加激勵層的閃電網絡
• 適用於高頻交互的應用,如電子競技平台
• 目前已轉型爲跨鏈通信平台

3.1.6 應用比較

比特幣閃電網絡、以太坊雷電網絡和Celer Network在以下方面存在差異:

• 底層區塊鏈:分別基於比特幣、以太坊和多鏈
• 應用範圍:支付、智能合約和通用應用
• 發展階段:成熟度和生態發展程度不同
• 技術特點:如路由算法、狀態通道設計等存在差異

3.2 Sidechains

3.2.1 概要

側鏈概念首次於2012年被提出,2014年發表首篇相關論文。側鏈是爲加快交易而出現的區塊鏈形態,可使用更復雜的合約或改善共識機制。側鏈的交易結果最終會記錄在主鏈驗證者端。

3.2.2 時間線

• 2012/01:比特幣側鏈概念在聊天室提出
• 2014/10:比特幣側鏈論文初次發表
• 2017/04:POA Network測試網上線
• 2017/10:Matic Network啓動
• 2017/12:POA Network主網上線
• 2018/01:Skale測試網上線
• 2018/10:xDai Chain測試網上線
• 2020/06:Skale主網和Matic PoS Chain主網上線
• 2021/02:Matic Network更名爲Polygon Network
• 2021/02:Axie Infinity側鏈Ronin主網運行
• 2021/12:xDai Chain與Gnosis Dao合並
• 2022/03:POA Network合並入Gnosis Chain

3.2.3 技術原理

側鏈通過雙向錨定或不協調錨定與主鏈溝通。主要流程:

1. 用戶將原生資產發送到特殊地址鎖定
2. 等待確認期結束,向側鏈提交證明
3. 等待挑戰期,避免雙花攻擊
4. 完成後用戶可在側鏈使用新鑄封裝資產

側鏈的安全性取決於側鏈共識機制。如果有人在側鏈上憑空創造與主鏈不符的資產,可能造成資金被盜風險。

3.2.4 優缺點

優點:

• 高可擴展性
• 快速確認
• 低交易費用
• 可自定義功能

缺點:

• 安全性依賴於側鏈本身
• 需要信任側鏈驗證者
• 資產跨鏈需等待時間長
• 部分中心化

3.2.5 應用

主要應用包括:

xDai(現Gnosis Chain):

• 以太坊側鏈,使用xDai作爲原生代幣
• 2018年9月主網上線,2021年與Gnosis合並
• 採用PoSDAO共識機制
• 目前TVL約53百萬美元

Polygon:

• 前身爲Matic Network,2021年品牌升級
• 提供PoS側鏈和Plasma鏈兩種方案
• 目前有37k+Dapp,1.8B總交易數,135M+用戶

Ronin:

• Axie Infinity遊戲專用側鏈
• 2021年3月主網上線,採用PoA共識
• 2022年3月遭受6.25億美元黑客攻擊

3.2.6 應用比較

xDai、Polygon和Ronin在以下方面存在差異:

• 共識機制:分別採用PoSDAO、PoS和PoA
• 應用範圍:通用、多樣化生態和遊戲專用
• 安全性:驗證者數量和選擇機制不同
• 發展階段:生態發展程度和規模存在差異

3.3 Plasma

3.3.1 概要

Plasma是一個構建可擴展Dapp的框架。它作爲側鏈的演化方案出現,旨在將用戶對側鏈Operator的信任降至最低。Plasma的基本原則是,即使Plasma鏈出現安全故障,所有用戶資產仍可撤出並退回主網。

3.3.2 時間線

• 2017/08:Plasma白皮書發布
• 2018/01:首個正式Plasma應用Plasma MVP提出
• 2018/03:Plasma Cash提出,解決大規模退出問題
• 2018/06:Plasma Debit提出
• 2018/11:BANKEX提出Plasma Prime
• 2019年起:以太坊社區開始探索Rollups方案

3.3.3 技術原理

Plasma核心思想:

• 鏈外執行:大部分工作在主網外處理
• 狀態承諾:通過Merkle Root向主網提交狀態
• 退出機制:允許用戶安全退出Plasma鏈

主要流程:

1. 用戶在主網存款進入Plasma鏈
2. 在Plasma鏈上進行交易
3. Operator定期向主網提交狀態承諾
4. 用戶可隨時發起退出請求
5. 經過挑戰期後,用戶可在主網取回資產

3.3.4 優缺點

優點:

• 高吞吐量
• 低交易費用
• 繼承主網部分安全性

缺點:

• 復雜的退出機制
• 需要定期監控Plasma鏈
• 大規模退出